高中物理新教材同步选择性必修第一册 主题3 7~8 光的颜色、色散、激光同步讲义

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7　光的颜色　色散8　激光[学科素养与目标要求]　物理观念：1.知道白光是由多种色光组成的，知道光的色散及光谱的概念.2.理解折射时的色散，知道不同色光的折射率不同.3.了解激光的特点和应用，了解全息照相的原理.科学思维：能说明薄膜干涉条纹的特点，能解释薄膜干涉的成因.一、光的颜色　色散1.光的颜色与波长：不同颜色的光，波长不同.2.光的色散：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象.3.光谱：含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其波长的有序排列.二、色散1.薄膜干涉中的色散薄膜干涉的原理：光照在厚度不同的薄膜上时，在薄膜的不同位置，前、后两个面的反射光的路程差不同，在某些位置两列波叠加后相互加强，于是出现亮条纹；在另一些位置，两列波叠加后相互削弱，于是出现暗条纹.2.衍射中的色散用白光进行衍射实验时，得到的是彩色条纹，这是由于白光中包含各种颜色的光，不同色光亮条纹的位置不同.3.折射中的色散一束白光通过棱镜折射后，在屏上的光斑是彩色的，是因为透明物质对于波长不同的光的折射率n不一样，λ越小，n越大，波速v越慢(填“快”或“慢”).三、激光1.激光的特点及应用2.全息照相(1)普通照相技术所记录的只是光波的强弱信息，而全息照相技术还可以记录光波的相位信息.(2)原理：全息照片的拍摄利用了光的干涉原理.1.判断下列说法的正误.(1)光的波长决定光的颜色.(　×　)(2)水面上的油膜呈现彩色条纹，是油膜表面反射光与入射光叠加的结果.(　×　)(3)白光通过单缝的衍射条纹是彩色的，说明白光衍射后可以改变颜色.(　×　)(4)用激光做双缝干涉实验是应用了激光具有高度的相干性的特点.(　√　)2.水面上的油膜在阳光照射下呈彩色是光的________(填“干涉”“衍射”或“折射”)形成的色散现象；通过狭缝观察发光日光灯时看到的彩色条纹是光的________(填“干涉”“衍射”或“折射”)形成的色散现象.答案　干涉　衍射一、薄膜干涉中的色散小朋友吹出的肥皂泡、热菜汤表面的油花、马路上积水表面的油膜，都会看到彩色的条纹，这些彩色条纹是如何形成的呢？答案　由薄膜干涉造成的.白光照射在肥皂泡膜、油膜表面，被薄膜前、后表面反射的两列反射光叠加，形成干涉条纹.由于白光中的各色光波长不同，干涉后的条纹间距不同，薄膜上就会出现彩色条纹.1.薄膜干涉中相干光的获得光照射到薄膜上，在薄膜的前、后两个面反射的光是由同一个实际的光源分解而成的，它们具有相同的频率，恒定的相位差.2.薄膜干涉的原理光照在厚度不同的薄膜上时，前、后两个面的反射光的路程差等于相应位置膜厚度的2倍，在某些位置，两列波叠加后相互加强，于是出现亮条纹；在另一些位置，叠加后相互削弱，于是出现暗条纹.3.薄膜干涉是经薄膜前、后表面反射的两束光叠加的结果出现亮条纹的位置，两束光的路程差Δr＝kλ(k＝0，1，2，3…)，出现暗条纹的位置，两束光的路程差Δr＝eq \f(2k＋1,2)λ(k＝0，1，2，3…).4.薄膜干涉的应用(1)检查平面平整度的原理光线经空气薄膜的上、下两面的反射，得到两束相干光，如果被检测平面是光滑的，得到的干涉条纹是等间距的.如果被检测平面某处凹下，则对应条纹提前出现，如果某处凸起，则对应条纹延后出现.(2)增透膜的原理在增透膜的前、后表面反射的两列光波形成相干波，当路程差为半波长的奇数倍时，两光波相互削弱，反射光的能量几乎等于零.例1　用单色光照射位于竖直平面内的肥皂液薄膜，所观察到的干涉条纹为(　　)答案　B解析　由于在光的干涉中亮、暗条纹的位置取决于两列光波相遇时通过的路程差，则在薄膜干涉中取决于入射点处薄膜的厚度.因肥皂液薄膜在重力作用下形成了一个上薄下厚的楔形膜，厚度相等的位置在同一条水平线上，故同一条干涉条纹必然是水平的，由此可知只有选项B正确.1.由于薄膜干涉是经薄膜前、后表面反射的两束光叠加而形成的，所以观察时眼睛与光源应在膜的同一侧.2.在光的薄膜干涉中，前、后表面反射光的路程差由膜的厚度决定，所以薄膜干涉中同一亮条纹或同一暗条纹应出现在厚度相同的地方，因此又叫等厚干涉，每一条纹都是水平的.3.用单色光照射得到明暗相间的条纹，用白光照射得到彩色条纹.例2　(多选)如图1甲所示，用单色光照射透明标准板M来检查平面N的上表面的平滑情况，观察到如图乙所示条纹中的P和Q情况，这说明(　　)图1A.N的上表面A处向上凸起B.N的上表面B处向上凸起C.N的上表面A处向下凹陷D.N的上表面B处向下凹陷答案　BC解析　由题图甲可知，空气薄膜厚度从左向右依次增大，又因为同一条亮(暗)条纹上各处空气薄膜厚度相同，由题图乙可知被检查平面发生弯曲的P处的空气厚度本应该比同一条纹上其他位置的空气厚度小，而实际上厚度一样，故A处存在凹陷，同理可知B处存在凸起.二、衍射和折射时的色散1.拔一根鸡翅膀上的羽毛(鹅、鸭的羽毛也可以)，白天隔羽毛观看太阳，可见七色光芒向外四射，你能解释这种现象吗？答案　阳光透过羽毛上密集的羽丝间的小缝隙(光栅)而出现衍射现象，衍射时不同色光的亮条纹的位置不同，于是各种色光就区分开了.2.如图所示为光线通过三棱镜的光路图，在光线进入棱镜时是远离法线还是靠近法线？光线从棱镜射出时，是远离法线还是靠近法线？用白光做实验，会观察到什么现象？答案　进入棱镜时，靠近法线.离开棱镜时，远离法线.用白光做实验，会看到屏上出现彩色光带.1.衍射时的色散白光的衍射条纹是彩色的，是因为白光中包含了各种颜色的光，且各种颜色的光的波长不同，致使不同色光的亮条纹的位置不同，于是各种色光就区分开了.2.折射时的色散如图2所示，白光通过棱镜折射后，由上到下的色光顺序为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这说明：图2(1)射出棱镜的光线与入射光线方向的夹角叫通过棱镜的偏向角，如图所示，白光色散时，红光的偏向角最小，紫光的偏向角最大，说明玻璃对不同色光的折射率是不同的.(2)根据n＝eq \f(c,v)可知：在同种介质中折射率大的速度小，各种色光在同种介质中的速度从小到大排序依次为v紫＜v蓝＜…＜v橙＜v红，即红光的速度最大，紫光的速度最小.例3　如图3所示，从点光源S发出的一细束白光以一定的角度入射到三棱镜的表面，经过三棱镜的折射后发生色散现象，在光屏的ab间形成一条彩色光带.下面的说法中正确的是(　　)图3A.a侧是红色光，b侧是紫色光B.在真空中a侧光的波长小于b侧光的波长C.三棱镜对a侧光的折射率小于对b侧光的折射率D.在三棱镜中a侧光的传播速度大于b侧光的传播速度答案　B解析　红光的折射率小于紫光的折射率，经过三棱镜，红光的偏折角小于紫光的偏折角，则a侧是紫色光，b侧是红色光，A错；由题图知a侧光的偏折角大，三棱镜对a侧光的折射率大，a侧光的波长小，B对，C错；三棱镜对a侧光的折射率大，由v＝eq \f(c,n)知，在三棱镜中a侧光的传播速度小于b侧光的传播速度，D错.1.同一介质对不同的色光有不同的折射率，介质对频率大、波长短的光折射率大，按折射率从小到大依次排列为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫.2.在同一介质中，不同色光的传播速度不同，红光的折射率小，传播速度大；紫光的折射率大，传播速度小.三、激光的特点和应用激光作为一种人造光源在科研、通信、工业生产、军事科技等领域都有着广泛应用，如激光干涉仪、激光切割机、激光炮等，激光的应用如此广泛，激光到底具有哪些特性？答案　相干性强、平行度好、亮度高.例4　关于激光的应用问题，下列说法中正确的是(　　)A.光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中传递信息的B.计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用激光有相干性的特点C.医学中用激光做“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点D.“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点答案　C解析　由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光的相干性，A错误；计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好，B错误；医疗中用激光做“光刀”利用了激光的亮度高的特点，C正确；激光测距利用的是激光的平行度好的特点，D错误.[学科素养]　例4考查了学生对激光的了解程度，体现了“物理观念”的学科素养.又通过激光在现代生活中的应用实例，让学生了解到最新研究成果及其对人类文明的影响，体现了“科学态度与责任”的学科素养.1.(薄膜干涉)用如图4所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象.图(a)是点燃的酒精灯(在灯芯上撒些盐)，图(b)是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属线圈.将金属线圈在其所在的竖直平面内缓慢旋转，观察到的现象是(　　)图4A.当金属线圈旋转30°时，干涉条纹同方向旋转30°B.当金属线圈旋转45°时，干涉条纹同方向旋转90°C.当金属线圈旋转60°时，干涉条纹同方向旋转30°D.干涉条纹保持不变答案　D解析　在本实验中肥皂液薄膜之所以产生干涉条纹，是因为在重力作用下肥皂液薄膜的竖截面是梯形，前后两面的反射光叠加而形成的，金属线圈在其所在平面内缓慢旋转并不能影响肥皂液薄膜的竖截面，故金属线圈在其所在平面内旋转时干涉条纹保持不变.2.(薄膜干涉)(多选)(2018·沈阳市郊联体高二下学期期中)把一平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上，一端用薄片垫起，构成空气劈尖，让单色光从上方射入，如图5所示，这时可以看到明暗相间的条纹，下面关于条纹的说法中正确的是(　　)图5A.干涉条纹的产生是由于光在空气劈尖膜的上、下两表面反射形成的两列光波叠加的结果B.干涉条纹中的暗条纹是由于上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果C.将上玻璃板平行上移，条纹向着劈尖移动D.观察薄膜干涉条纹时，应在入射光的另一侧答案　AC解析　根据薄膜干涉的产生原理，题中所述现象是由空气膜上、下两表面反射的两列光叠加而成的，当波峰与波峰、波谷与波谷相遇叠加时，振动加强，形成亮条纹，故A正确，B错误；根据条纹的位置与空气膜的厚度是对应的，当上玻璃板平行上移时，同一厚度的空气膜向劈尖移动，故条纹向着劈尖移动，故C正确；因相干光是反射光，故观察薄膜干涉条纹时，应在入射光的同一侧，故D错误.3.(折射中的色散)(2017·北京卷)如图6所示，一束可见光穿过平行玻璃砖后，变为a、b两束单色光.如果光束b是蓝光，则光束a可能是(　　)图6A.红光 B.黄光C.绿光 D.紫光答案　D解析　由题图可知，这束可见光穿过玻璃砖后，发生了色散，其中a光的侧移距离大于b光的侧移距离，说明玻璃砖对a光的折射率大于玻璃砖对b光的折射率，同种介质对红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的折射率依次增大，由于b光是蓝光，故选项D正确.4.(激光的应用)(多选)激光火箭的体积小，却可以装载更大、更重的卫星或飞船，激光由地面激光站或空间激光动力卫星提供，通过一套装置，像手电筒一样，让激光束射入火箭发动机的燃烧室，使推进剂受热而急剧膨胀，于是形成一股高温高压的燃气流，以极高的速度喷出，产生巨大的推力，把卫星或飞船送入太空.激光火箭利用了激光的(　　)A.单色性好 B.平行度好C.高能量 D.相干性好答案　BC解析　由于激光站与火箭相距较远，为了减少能量损失，必须要求激光具有很好的平行度，同时利用激光的高能量特点.一、选择题考点一　薄膜干涉中的色散1.下列现象中可以用薄膜干涉来解释的是(　　)A.雨后的彩虹B.水面上的油膜在阳光照射下呈彩色C.透过昆虫的翅膀看阳光呈彩色D.荷叶上的水珠在阳光下晶莹透亮答案　B解析　雨后的彩虹是色散现象，故选项A错误；透过昆虫的翅膀看阳光呈彩色是衍射现象，故选项C错误；水珠在阳光下晶莹透亮是全反射的结果，故选项D错误；油膜在阳光照射下呈彩色是薄膜干涉的结果，故选项B正确.2.(多选)如图1所示，一束白光从左侧射入肥皂薄膜，下列说法中正确的是(　　)图1A.人从右侧向左看，可以看到彩色条纹B.人从左侧向右看，可以看到彩色条纹C.彩色条纹水平排列D.彩色条纹竖直排列答案　BC解析　一束白光射到肥皂薄膜上，经前后两个面反射回来的光相遇，产生干涉现象，从左侧向右看可看到彩色条纹；因为薄膜同一水平线上的厚度相同，所以彩色条纹是水平排列的，故正确答案为B、C.3.(2018·应县一中高二下学期期中)如图2所示是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平整的装置，所用单色光是用普通光通过滤光片产生的，检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的(　　)图2A.a的上表面和b的下表面 B.a的上表面和b的上表面C.a的下表面和b的上表面 D.a的下表面和b的下表面答案　C解析　干涉法检查玻璃板上表面是否平整的原理是利用单色光的薄膜干涉，由题图可知薄膜指的是标准样板与待测厚玻璃板之间的空气层.在空气层的上表面和下表面分别反射的光会发生干涉，观察干涉后形成的条纹是否为平行直线，可以断定厚玻璃板的上表面是否平整，故选项C正确.4.(2017·丽水市高二检测)市场上有种灯具俗称“冷光灯”，用它照射物品时能使被照物品处产生的热效应大大降低，从而广泛地应用于博物馆、商店等处.这种灯降低热效应的原因之一是在灯泡后面放置的反光镜玻璃表面上镀一层薄膜(例如氟化镁)，这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线.以λ表示此红外线在薄膜中的波长，用λ0表示此红外线在真空中的波长，则灯泡所镀薄膜的厚度最小应为(　　)A.eq \f(1,4)λ0 B.eq \f(1,4)λ C.eq \f(1,2)λ D.eq \f(1,2)λ0答案　B解析　要消除不镀膜时玻璃表面反射回来的红外线，即要使从灯泡薄膜前后表面反射回来的红外线发生干涉，且相互抵消，设灯泡所镀薄膜的厚度为d，则2d＝eq \f(λ,2)，解得：d＝eq \f(λ,4)，选项B正确.5.一个半径较大的透明玻璃球体，截取其下面的一部分，然后将这一部分放到标准的水平面上，现让单色光竖直射向截面，如图3所示，在反射光中看到的是(　　)图3A.平行的明暗相间的直干涉条纹B.环形的明暗相间的干涉条纹C.只能看到同颜色的平行反射光D.一片黑暗答案　B考点二　折射中的色散6.(多选)白光通过三棱镜发生色散现象，下列说法正确的是(　　)A.白光是由不同频率的光组成的B.棱镜材料对各种色光的折射率不同C.棱镜对红光的折射率大，对紫光的折射率小D.出现色散现象是棱镜改变了颜色答案　AB解析　白光由不同频率的光组成，从红光到紫光，频率越来越大，棱镜对其的折射率也越来越大，A、B正确.7.(2015·福建卷)如图4，一束光经玻璃三棱镜折射后分为两束单色光a、b，波长分别为λa、λb，该玻璃三棱镜对单色光a、b的折射率分别为na、nb，则(　　)图4A.λa＜λb，na＞nb B.λa＞λb，na＜nbC.λa＜λb，na＜nb D.λa＞λb，na＞nb答案　B解析　由题图知，三棱镜对b光的折射率较大，所以na＜nb.又因为光的频率越大，介质对光的折射率就越大，故b光的频率大于a光的频率，又根据c＝λf，所以b光的波长小于a光的波长，即λa＞λb，所以B正确，A、C、D错误.8.(多选)如图5所示，截面为ABC的玻璃直角三棱镜放置在空气中，宽度均为d的紫、红两束光垂直照射三棱镜的一个直角边AB，在三棱镜的另一侧放置一平行于AB边的光屏，屏的距离远近可调，在屏上出现紫、红两条光带，可能是(　　)图5A.紫色光带在上，红色光带在下，紫色光带较宽B.紫色光带在下，红色光带在上，紫色光带较宽C.红色光带在上，紫色光带在下，红色光带较宽D.红色光带在下，紫色光带在上，红色光带较宽答案　CD解析　由于玻璃对紫光的折射率大于对红光的折射率，故紫光和红光经过棱镜后光路如图所示.在光屏由近及远移动过程中，可能是红色光带在上，紫色光带在下，也可能是红色光带在下，紫色光带在上，但红色光带始终较宽，故选项C、D对，A、B错.9.(2015·重庆卷)虹和霓是太阳光在水珠内分别经过一次和两次反射后出射形成的，可用白光照射玻璃球来说明.两束平行白光照射到透明玻璃球后，在水平的白色桌面上会形成MN和PQ两条彩色光带，光路如图6所示.M、N、P、Q点的颜色分别为(　　)图6A.紫、红、红、紫B.红、紫、红、紫C.红、紫、紫、红D.紫、红、紫、红答案　A解析　玻璃对红光的折射率最小，对紫光的折射率最大，由折射定律和反射定律可知M点为紫色，N点为红色，P点为红色，Q点为紫色，故A项正确.10.(2018·沈阳市郊联体高二下学期期中)如图7所示，在水中有一厚度不计的薄玻璃片做成的中空三棱镜，里面是空气，一束光A从棱镜的左边射入，从三棱镜的右边射出时发生色散，射出的可见光分布在a点和b点之间，则(　　)图7A.从a点射出的是红光，从b点射出的是紫光B.从a点射出的是紫光，从b点射出的是红光C.从a点和b点射出的都是紫光，从ab中点射出的是红光D.从a点和b点射出的都是红光，从ab中点射出的是紫光答案　B考点三　激光及应用11.(多选)关于光的色散、激光，下列说法正确的是(　　)A.棱镜对红光的折射率比对紫光的大B.红光在棱镜中的速度比紫光大C.每种色光通过棱镜后都会分成几种颜色的光D.激光不能像无线电波那样用来传递信息E.激光治疗近视眼手术是对角膜进行切削答案　BE解析　色散现象表明棱镜对红光的折射率最小，由n＝eq \f(c,v)知，红光在棱镜中的速度比紫光大，A错误，B正确；单色光经棱镜后不能发生色散，C错误；激光在光导纤维中传播时可以传递信息，D错误；激光手术不是修复视网膜，而是对角膜进行切削，改变角膜的形状，E正确.12.(多选)以下说法中正确的是(　　)A.激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性B.由于激光的方向性好，所以激光不能发生衍射现象C.光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物D.普通照相技术所记录的只是光波的强弱信息，而全息照相技术还可以记录光波的相位信息答案　ACD二、非选择题13.为了减少光在透镜表面由于反射带来的损失，可在透镜表面涂上一层增透膜，一般用折射率为1.38的氟化镁.为了使波长为5.52×10－7 m的绿光在垂直表面入射时的反射光干涉相消，求所涂的这种增透膜的最小厚度.答案　1×10－7 m解析　设绿光在真空中的波长为λ0，在增透膜中的波长为λ，由折射率与光速的关系和光速与波长及频率的关系得n＝eq \f(c,v)＝eq \f(λ0f,λf)，即λ＝eq \f(λ0,n).反射光干涉相消，那么增透膜最小厚度d＝eq \f(1,4)λ＝eq \f(λ0,4n)＝eq \f(5.52×10－7,4×1.38) m＝1×10－7 m.14.半径为R的固定半圆柱形玻璃砖的横截面如图8所示，O点为圆心，OO′为直径MN的垂线.足够大的光屏PQ紧靠在玻璃砖的右侧且与MN垂直.一束复色光沿半径方向与OO′成θ＝30°角射向O点，已知复色光包含折射率从n1＝eq \r(2)到n2＝eq \r(3)的光束，因而光屏上出现了彩色光带.图8(1)求彩色光带的宽度；(2)当复色光入射角逐渐增大时，光屏上的彩色光带将变成一个光点，求θ角至少为多少时会出现这种现象.答案　(1)(1－eq \f(\r(3),3))R　(2)45°解析　(1)由折射定律得n1＝eq \f(sin β1,sin θ)，n2＝eq \f(sin β2,sin θ)，代入数据，解得β1＝45°，β2＝60°.故彩色光带的宽度为Rtan 45°－Rtan 30°＝(1－eq \f(\r(3),3))R.(2)当所有光线均发生全反射时，光屏上的光带消失，反射光束将在PN上形成一个光点.当折射率为n1的单色光在玻璃表面上恰好发生全反射时，对应的θ值最小，因为sin C1＝eq \f(1,n1)＝eq \f(\r(2),2)，所以C1＝45°，故θ的最小值θmin＝C1＝45°.特点应用相干性强：激光具有频率相同、相位差恒定、偏振方向一致的特点，是人工产生的相干光，具有高度的相干性光纤通信平行度好：激光的平行度非常好，传播很远的距离后仍能保持一定的强度激光会聚一点，读取光盘上记录的信息，激光测距等亮度高：它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量用激光束切割、焊接，医学上可以用激光做“光刀”，激发核聚变等